关于实验“探究功与速度变化的关系”的一种改进方案

关于实验“探究功与速度变化的关系”的一种改进方案摘要：《普通高中课程标准实验教科书物理必修2（人教版）》所编排的“探究功与物体速度变化的关系”的探究试验，尽管目的明确，构思巧妙，取材简单，容易激发学生的探究兴趣，但要想准确达到试验目的还是比较比较困难的，笔者通过将学生习题情境加以创造性的设计（核心仪器DIY），制定了可行的改进方案。关键词：改进动机方案原型仪器DIY实践过程优势正文一、方案改进的动机在人教版的教材中所提供的关于变力做功与速度变化的关系参考案例中采用了橡皮筋，而“对于本实验来说，橡皮筋是影响实验效果的关键因素。……比较适合本实验的橡皮筋为横截面为圆形、单根半径约为0.7mm的细橡皮筋。如果在当地找不到这样的橡皮筋，也可以选择服装制作中由多根细橡皮筋组成的带状或圆柱状的松紧带。带状松紧带要仔细地剪成单股，圆柱状松紧带只要去掉包裹的纱线即可。”[1]实践证明，该规格的细橡皮筋不容易找到，选择用松紧带的建议则耗时耗力、工作量大，不具备可操作性。对于常见的物理实验器材-----弹簧却没有涉及，无论从可操作性还是使用的普遍性，弹簧较橡皮筋都具很大的优势！二、改进方案的原型（多选题）某研究性学习小组觉得教材中实验测量过程较复杂，改进如下：如图所示，将教材实验中的木板放在桌子的边缘，小车的前端放一小球，小车在橡皮筋作用下加速运动，到桌子边缘后小车在挡板作用下停止运动，小球做平抛运动，测出橡皮筋条数为1、2、3、…、n时的平抛距离x1、x2、x3、…、xn，则（）A.如果忽略一切摩擦，x∝n（n为橡皮筋条数）B.如果忽略一切摩擦，x2∝n（n为橡皮筋条数）C.该实验中小车受的摩擦力可以通过倾斜木板的方法平衡而不产生新的误差D.该实验中倾斜木板会产生误差解析：小车触碰挡板前与小球一起做加速运动，触碰挡板的瞬间车与球具有共同的速度v，触碰后小球以该速度为初速度做平抛运动。设小球与车一起运动时离地面的高度为h，平抛运动的水平为x，则由平抛运动知识可知：如果忽略一切摩擦，由动能定理可得：联立两式有若令该过程中每条橡皮筋做功为W，n条橡皮筋做功时对应小球的平抛距离为xn，则有：若考虑摩擦，该实验中的摩擦主要是小车所受的摩擦力，诚然可通过倾斜木板的方法来平衡，但该情况下小球将做斜下抛运动（不是推理时的平抛运动了）故而本题的答案为BD三、方案核心仪器DIY根据方案原型所描述的物理情景，DIY本方案的核心仪器关键实验条件的保证（部件用途说明）：1.弹簧所套细管――细管外径稍小于弹簧内径，保证弹簧形变时沿径向形变2.倍增法的体现（控制件）――使弹簧在固定杆和移动杆间发生压缩形变，提起时弹簧释放能量，恢复原状;因为控制件的同一性保证了每次实验中弹簧的形变量的一致性，从而保证弹簧所做的总功与弹簧数量成正比。如图所示3.改变弹簧数量――在移动杆和固定杆间根据需要放置弹簧如图所示4.小球平抛的初速度与物体加速过程末速度的一致――通过螺母来调节固定件的位置，使移动杆被螺杆前段约束时弹簧仍处于低程度的压缩状态5.方案情景展现如图所示6.小钢球做平抛运动――将仪器固定在桌面后，在移动杆上放置水准仪来检验仪器是否是水平安装（如图）四、方案实践过程（一）实验器材：小钢球、水准仪（2个）、弹簧（5～～6根）、重锤线、毫米刻度尺、细沙盘、固定夹（2个）、核心DIY仪器（二）实验步骤：1.将自制仪器用固定夹固定在桌面边缘，并用水准仪检测仪器水平安装与否，保证仪器的移动杆在水平方向运动。2.用重锤线确定小球离开移动杆瞬间在地面上的投影点，作为小球平抛运动的水平位移的测量起始点，用刻度尺测量出小球平抛时的数值高度h3.取下水准仪，用控制件约束移动杆，将小球放置在移动杆上后迅速提起控制件释放移动杆初步确定小球的落地点4.将沙盘移至初步确定的小球落地点，重复步骤3，沙盘上小球的落地点用刻度尺测量小球平抛运动的水平位移x2，此时弹簧的根数为2，弹簧做功为2W，将数据填入记录表中5.改变弹簧数量重复步骤3、步骤4，将测得的小球的水平位移x与对应的弹簧数量记录在记录表中W01W2W3W4W5W6Wx（cm）0.00（三）数据分析与处理（同教材不再赘述）（四）误差分析1.系统误差：①摩擦力的存在②弹簧的根数是从2开始，当弹簧为1根的情景无法操作2.偶然误差：①测量小钢球平抛运动的竖直高度时没有考虑沙及沙盘的厚度②实验过程中固定不牢造成小钢球做斜抛运动③实验过程中记录小钢球落地位置的沙盘位置发生改变五、本方案的优势通过平抛运动的桥梁作用，使数据的采集更为简便，直接将测量的位移参与到结论的归结中，省去了计算速度的繁琐。来源于习题，将习题情景运用到实践中拉近了学生“学”与“用”的距离，教师的创造性劳动更能身体力行地感染学生，在榜样的带动下学生会有意识地增加学以致用的动机。此外，用弹簧来代替橡皮筋-------橡皮筋作功与弹簧做功本质上相同，因而从原理上来说是行得通的，况且弹簧是传统的、经典的教学器材，在各教学器材店的存量、款式、规格等要比橡皮筋更易得到，增强了实验的可操作性。至于该方案的核心仪器的各部件所需要的材料和工艺均不复杂，可在从事铝合金工艺的店铺中的下脚料即可满足，在实现废物再利用的同时，又让学生感受可持续发展的内涵，实现了学科间知识的渗透融合！参考文献：[1]杜敏梁旭等普通高中课程标准实验教科书物理2（必修）教师教学用书人民教育出版社2007：107